Giúp học sinh phát triển tư duy, tạo hứng thú học tập môn vật lí thông qua việc áp dụng phương pháp động lực học chất điểm để giải các bài tập cơ học vật lí 10 tại trường THPT thạch thành 4

Lí do chọn đề tài Trong những năm gần đây đối với đại đa số học sinh khi bước vào lớp 10thì môn Vật lí là môn yếu thế hơn so với các môn Toán, Ngữ văn và Tiếng Anhbởi hầu hết các em chỉ

Mục lục

Trang

1 Mở đầu 1

1.1 Lí do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Những điểm mới của sáng kiến 2

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm 2

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 2

I Phương pháp động lực học chất điểm: ……… 2

II Một số bài tập cơ bản 3

Trường hợp 1: Khi vật chuyển động trên phương ngang……….….… ….3

Trường hợp 2: Khi vật chuyển động đi lên mặt phẳng nghiêng góc α 5

Trường hợp 3: Khi vật chuyển động đi xuống mặt phẳng nghiêng góc α… 7

Trường hợp 4: Khi vật chuyển động tròn đều……… 11

Trường hợp 5: Khi vật chuyển động trên cầu cong……… … 12

Trường hợp 6: Bài toán hệ vật……….… 14

III Kiểm tra 45 phút………… 17

2.2 Thực trạng vấn đề khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 20

2.3 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 20

3 Kết luận, kiến nghị 21

1 Mở đầu

1.1 Lí do chọn đề tài

Trong những năm gần đây đối với đại đa số học sinh khi bước vào lớp 10thì môn Vật lí là môn yếu thế hơn so với các môn Toán, Ngữ văn và Tiếng Anhbởi hầu hết các em chỉ tập trung ôn thi ba môn tuyển sinh vào lớp 10 THPT Hơnnữa, ngay sau khi bước vào lớp 10, các em đã bắt gặp phải rất nhiều nội dung vừamới, vừa nặng của chương trình Vật lí 10 đòi hỏi các em phải hiểu rõ bản chất vàphải được vận dụng kiến thức thường xuyên, chính xác mới giúp các em hiểu hết

vấn đề Điều này khiến không ít học sinh có cảm giác “khó như Lí” và đã quay

lưng lại với môn Vật lí để chọn cho mình một khối thi khác mà không có môn Vật

lí trong đó

Nổi bật lên trong Vật lí 10 là “Phương pháp động lực học chất điểm để giải các bài toán cơ học” Đây là phương pháp vô cùng cơ bản, quan trọng, quyết

định đến sự phát triển tư duy Vật lí và hứng thú học tập bộ môn Vật lí THPT ngay

từ đầu của học sinh Đặc biệt, phương pháp này còn được vận dụng rất nhiềutrong những chương trình học tiếp theo

Để giúp học sinh trường THPT Thạch Thành 4 (nơi có tới khoảng 80% họcsinh dân tộc thiểu số, có tới 4/6 xã tuyển sinh thuộc khu vực đặc biệt khó khăn –khu vực 135) có đầy đủ kiến thức, giải quyết được các vấn đề, các bài tập liênquan đến ba định luật Niu-tơn, các lực cơ học trong phần Cơ học – Vật lí 10, tôi

đã hệ thống lại kiến thức căn bản của phần Cơ học – Vật lí 10 thông qua phương pháp động lực học chất điểm, cùng một số bài tập vận dụng thích hợp nhằm giúp

học sinh hiểu rõ bản chất, bồi dưỡng tư duy Vật lí, từ đó giúp các em sẽ có hứngthú học và không quay lưng lại với môn Vật lí

Xuất phát từ thực trạng đó, tôi đã mạnh dạn đưa ra sáng kiến:

“Giúp học sinh phát triển tư duy, tạo hứng thú học tập môn Vật lí thông qua việc áp dụng Phương pháp động lực học chất điểm để giải các bài tập Cơ học - Vật lí 10 tại trường THPT Thạch Thành 4”.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Thông qua sáng kiến này giúp học sinh: Củng cố sâu sắc lại kiến thức, cóphương pháp đúng đắn để giải bài tập cơ học có liên quan, làm nền tảng vữngchắc khi học phần tiếp theo của môn Vật lí Đặc biệt giúp học sinh tiếp cậnchương trình Vật lí THPT một cách chắc chắn, tự tin khi giải được các bài tập Từ

đó giúp học sinh có hứng thú hơn khi học tập môn Vật lí, thấy được tầm ứng dụngquan trọng trong thực tế và lựa chọn khối thi tuyển sinh Đại học phù hợp

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Giáo viên: Nguyễn Hữu Quang - THPT Thạch Thành 4 1

Hệ thống kiến thức căn bản và ứng dụng thực tế của ba định luật Niu-tơn,các lực cơ học để giải các bài toán thuận, bài toán ngược, bài toán chuyển độngcủa vật trên mặt phẳng nghiêng trong phần Cơ học – Vật lí 10.

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết đưa ra hệ thống bài tập minh họa điểnhình; điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin; thống kê, xử lý số liệu

1.5 Những điểm mới của sáng kiến

Do hệ thống bài tập trong Sách giáo khoa hay sách Bài tập Vật lí 10 khônglàm toát lên được tầm quan trọng của phương pháp này và cũng chưa hệ thống lạikiến thức một cách khoa học, đang còn rời rạc Sáng kiến này giúp học sinh xâuchuỗi lại kiến thức, hiểu rõ hơn và vận dụng tốt hơn phương pháp động lực họcchất điểm dùng để giải quyết rất nhiều các bài tập trong Vật lí

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

* Bước 2: Chọn hệ quy chiếu Oxy thích hợp (với Ox là trục song song với chiều

chuyển động, trục Oy là trục vuông góc với Ox)

* Bước 3:

- Chiếu (1) lên trục Ox: F1x F2x  Fnx m.a (2)

- Chiếu (1) lên Oy: F1yF2y   Fny 0 (3)

* Bước 4:

- Từ (2) và (3) suy ra đại lượng cần tìm

- Có thể áp dụng các công thức về chuyển động thẳng biến đổi đều:

v v 0at; v2 v20 2as; 1 2

0 2

s v t  at

* Lưu ý:

- Nếu bài toán cho biết lực tác dụng vào vật, xác định chuyển động của vật(a, v, s, t, …)thì đó là Bài toán thuận.

- Nếu bài toán cho biết chuyển động của vật (a, v, s, t, …), yêu cầu xác định

lực tác dụng vào vật thì đó là Bài toán nghịch.

II Một số bài tập cơ bản:

II.1 Trường hợp 1: Khi vật chuyển động trên phương ngang

+ Chiếu (*) lên Ox: Fcos   F ms  ma (1)

+ Chiếu (*) lên Oy: N P Fsin      0 N mg Fsin   

+ Thay vào (1): Fcos   m g Fsin 1    ma

x O

Ví dụ 1 Cho một vật có khối lượng 10 kg đặt trên một sàn nhà Một người tác

dụng một lực là 30 N kéo vật theo phương ngang, hệ số ma sát giữa vật và sàn nhà

là  0, 2 Cho g 10m / s  2 Tính gia tốc của vật?

A 4 m/s2 B 3 m/s2 C 2 m/s2 D 1 m/s2

Hướng dẫn:

Chọn hệ quy chiếu Oxy như hình vẽ , chiều dương (+) Ox là chiều chuyển động

Áp dụng định luật II Newton ta có: F f  ms  N P ma  

Chiếu lên trục Ox: F f  ms  ma  1

Chiếu lên trục Oy:

N P 0   N mg 10.10 100N  

 f ms  N 0, 2.100 20N  

Thay vào (1) ta có: 30 20 10a    a 1 m / s   2 Chọn D.

x O

Ví dụ 2 Cho một vật có khối lượng 10 kg đặt trên một sàn nhà Một người tác

dụng một lực là 30 N kéo vật theo phương ngang, hệ số ma sát giữa vật và sàn nhà

là  0, 2 Cho g 10m / s  2 Sau khi đi được quãng đường 4,5 m thì vật có vận tốc

là bao nhiêu, thời gian đi hết quãng đường đó ?

A 3 m/s; 3 s B 3,5 m/s; 4 s C 1,5 m/s; 6 s D 2,5 m/s; 3 s.

Hướng dẫn:

Giáo viên: Nguyễn Hữu Quang - THPT Thạch Thành 4 3

Vậy sau khi vật đi được 4,5 m thì vận tốc của vật là 3

(m/s) và sau thời gian 3 s Chọn A.

x O

Ví dụ 3 Cho một vật có khối lượng m đang đứng yên trên mặt phẳng nằm ngang,

tác dụng một lực là 48 N có phương hợp với phương ngang một góc 45 0 Sau khivật đi được 4 s thì đạt được vận tốc 6 m/s Bỏ qua ma sát, xác định khối lượng củavật?

Ví dụ 4 Cho một vật có khối lượng 10 kg đang đứng yên trên mặt phẳng nằm

ngang, tác dụng một lực là 48 N có phương hợp với phương ngang một góc 45 0.Giả sử hệ số ma sát giữa vật và sàn là 0,1 Hỏi sau khi đi được quãng đường 16 mthì vận tốc của vật là bao nhiêu? Cho g 10m / s  2

Chiếu lên Ox: Fcos   F ms  ma (1)

Chiếu lên Oy:

2 2

0

v  v  2as  v  2as  2.2,73.16 9,35m / s  Chọn B.

Ví dụ 5 Cho một vật có khối lượng 10 kg đặt trên một sàn nhà Một người tác

dụng một lực kéo là 30 N lên vật Cho g 10m / s  2 Nếu bỏ qua ma sát và lực kéohợp với phương chuyển động một góc 45 0 thì vận tốc của vật sau 5 s là:

A 5 m/s B 10,6 m/s C 10 m/s D 12 m/s.

Hướng dẫn:

Chọn chiều dương là chiều chuyển động

Theo định luật II newton ta có: F N P ma                                            

Chiếu lên Ox:

Ví dụ 6 Vật có m = 1 kg đang đứng yên Tác dụng một lực F = 5 N hợp với

phương chuyển động một góc là 300 Sau khi chuyển động 4s, vật đi được mộtquãng đường là 4 m, cho g = 10 m/s2 Hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt sàn làbao nhiêu?

Chiếu lên trục Ox: F.cos   Fms  ma (1)

Chiếu lên trục Oy:

Theo định luật II newton ta có:               N P F f                                              ms  ma              

Chiếu lên Ox: F P  x  f ms  ma

 F P sin      N ma (1)

Chiếu lên Oy: N P  y  P cos  (2)

Thay (2) vào (1)  F Psin   P cos ma

Áp dụng các công thức chuyển động thẳng biến đổi đều để tính ra các giá trị

Từ đó, ta có một số hệ quả giúp học sinh nhớ nhanh khi làm trắc nghiệm:

- Nếu trượt lên có ma sát và F = 0 thì:

a = - g sin a + m cos a

- Nếu trượt lên không ma sát và F = 0 thì: a = - g.sin a

- Nếu trượt đều lên trên thì: a 0   F mg(sin   .cos )

* Các ví dụ:

Ví dụ 1 Một vật đặt ở chân mặt phẳng nghiêng một góc  = 300 so với phươngnằm ngang Hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt phẳng nghiêng là  = 0,2 Vậtđược truyền một vận tốc ban đầu v0 = 2 (m/s) theo phương song song với mặtphẳng nghiêng và hướng lên phía trên

a Sau bao lâu vật lên tới vị trí cao nhất ?

- Chiếu Oy: N P  y  P cos  (2)

- Thay (2) vào (1)  Psin  Pcos ma

 

0 0

Ví dụ 2 Cho một mặt phẳng nghiêng một góc  300 Đặt một vật có khối lượng

6 kg rồi tác dụng một lực là 48 N song song với mặt phẳng nghiêng làm cho vậtchuyển động đi lên nhanh dần đều, biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳngnghiêng là 0,3 Xác định quãng đường vật đi được trong giây thứ 2

+ Chọn hệ quy chiếu Oxy như hình vẽ, chiều dương là chiều chuyển động.

Giáo viên: Nguyễn Hữu Quang - THPT Thạch Thành 4 7

+ Vật chịu tác dụng của các lực:    N;P;f ms

+ Theo định luật II Newton ta có:               N P f                               ms                ma

+ Chiếu lên Ox:

F P  X  f ms  ma  F Psin     N m.a  (1)

+ Chiếu lên Oy: N P  Y  P cos  (2)

+ Thay (2) vào (1): F Psin   P cos ma

y

F

+ Áp dụng công thức chuyển động thẳng biến đổi đều để tính ra các giá trị

Từ đó, ta có thể rút ra công thức nhớ nhanh (khi vật trượt xuống) mà F = 0:

a = g sin a - m cos a

Nếu trượt không ma sát thì: a = g.sin a

* Các ví dụ:

Ví dụ 1 Một vật trượt từ đỉnh một dốc phẳng dài 50 m, chiều cao 25 m xuống

không vận tốc đầu, hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là 0,2 Xác địnhthời gian vật trượt hết chiều dài của dốc và vận tốc của vật đó ở cuối chân dốc?

Chiếu Ox ta có: P fx  ms ma  P sin     N ma (1)

Chiếu Oy: N P y P cos (2)

Thay (2) vào (1)  Psin  P cos ma

Chiếu Oy: N P y P cos (2)

Thay (2) vào (1)  Psin  P cos ma

y

ms

f



Ví dụ 3 Cho một vật trượt từ đỉnh của mặt phẳng nghiêng dài 40 m và nghiêng

một góc =300 so với mặt ngang Lấy g = 10 m/s2 Tính vận tốc của vật khi vậttrượt đến chân mặt phẳng nghiêng? Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳngnghiêng là 0,1

Giáo viên: Nguyễn Hữu Quang - THPT Thạch Thành 4 9

ms

f



Ví dụ 4 Cho một vật trượt từ đỉnh của mặt phẳng nghiêng dài 40 m và nghiêng

một góc =300 so với mặt ngang Lấy g = 10 m/s2 Tới chân mặt phẳng nghiêngvật tiếp tục trượt trên mặt phẳng ngang với hệ số ma sát 0,2 Tính quãng đường đithêm cho đến khi dừng lại hẳn

A 19,2 m B 75,2 m C 75,2 m D 82,81 m.

Hướng dẫn:

Chọn hệ quy chiếu Oxy như hình vẽ , chiều dương (+) Ox là chiều chuyển động

Áp dụng định luật II Newton cho vật trên mặt phẳng ngang, ta có:

FmsN P ma  2

Chiếu lên trục Ox: Fms ma2   .N ma 2  1

Chiếu lên trục Oy: N – P = 0  N = P=mg

Ví dụ 5: Một vật trượt từ đỉnh mặt phẳng nghiêng dài 10 m, cao 5 m Bỏ qua ma

sát trên mặt phẳng nghiêng Hỏi sau khi đến chân mặt phẳng nghiêng, vật tiếp tục

chuyển động trên mặt phẳng ngang một quãng đường bao nhiêu và trong thời gianbao lâu? Biết hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng ngang là 0,1 Lấy g =10 m/s2.

A 50 m, 10 s B 40 m, 30 s C 30 m, 15 s D 30 m, 20 s.

Hướng dẫn:

+ Khi vật chuyển động trên mặt phẳng nghiêng:

Chọn hệ quy chiếu Oxy như hình vẽ, chiều dương là chiều chuyển động

y

+ Khi vật chuyển động trên mặt phẳng ngang:

Chọn hệ quy chiếu Oxy như hình vẽ , chiều dương (+) Ox là chiều chuyển động

Áp dụng định luật II Newton, ta có: Fms  N P ma 2

Chiếu lên trục Ox:  F ms  ma 2    N ma  2  1

Chiếu lên trục Oy: N – P = 0  N = P=mg

- Lực hướng tâm có đặc điểm:

+ Điểm đặt tại vật chuyển động tròn

- Lực hướng tâm không phải là một loại lực mới mà là lực hoặc hợp lực của cáclực.

- Các bước giải:

+ Bước 1: Chọn trục hướng tâm

+ Bước 2: Phân tích các lực tác dụng vào vật, viết phương trình định luật IINiu-tơn

+ Bước 3: Chiếu phương trình lên trục hướng tâm đã chọn

+ Bước 4: Giải phương trình chiếu tìm nghiệm của bài toán

* Các ví dụ:

Ví dụ 1: Một bàn nằm ngang quay tròn đều với chu kỳ T = 2s Trên bàn đặt một

vật cách trục quay R = 2,4cm Hệ số ma sát giữa vật và bàn tối thiểu bằng baonhiêu để vật không trượt trên mặt bàn Lấy g = 10 m/s2 và  2 = 10

Ví dụ 2: Một lò xo có độ cứng k, chiều dài tự nhiên l0, một đầu giữ cố định ở A,

đầu kia gắn vào quả cầu khối lượng m có thể trượt không ma sát trên thanh ()nằm ngang Thanh () quay đều với vận tốc góc ω xung quanh trục () thẳngđứng Tính độ dãn của lò xo khi l0 = 20 cm;  = 20 rad/s; m = 10 g; k = 200 N/m

Hướng dẫn:

Các lực tác dụng vào quả cầu: P; N; Fđh

Trong đó P N  0nên Fđhlà lực hướng tâm:

01 , 0 200

2 , 0 20 01 , 0

80 kg Lấy g = 9,8m/s2 tính lực ép của xe lên vòng xiếc tại điểm cao nhất với vậntốc tại điểm này là v = 10 m/s

Hướng dẫn:

Các lực tác dụng lên xe ở điểm cao nhất là: P N ;

Khi chiếu lên trục hướng tâm ta được:

R

mv N

8

10 80 g R

v m N

2 2

- Bước 1: Vẽ hình, Tìm tất cả các lực tác dụng vào vật chuyển động tròn, Tổng

hợp các lực đó theo phương bán kính hướng vào tâm (Tổng hợp véc tơ hay dùngphương pháp chiếu) đó là lực hướng tâm

- Bước 2: Viết biểu thức tính độ lớn lực hướng tâm theo m và aht.

- Bước 3: Đồng nhất biểu thức lực và biểu thức độ lớn tìm ẩn số.

* Các ví dụ:

Ví dụ 1: Một xe có khối lượng m = 1 tấn chuyển động qua một chiếc cầu vồng

nên với vận tốc v = 10 m/s Bán kính cong của cầu R = 50 m Tìm áp lực của xenên cầu vồng tại

a điểm cao nhất cầu

b nơi bán kính cong hợp với phương thẳng đứng một góc 30° Lấy g = 10 m/s2

Hướng dẫn:

Xe lên cầu với gia tốc a : PNm a ht (1)

Chiếu (1) nên bán kính ứng với vị trí của xe ta có:

Pcosα − N = maht

a Tại điểm cao nhất A của cầu vồng : α = 0

b Tại vị trí B ứng với α = 30° (hình vẽ)

Ví dụ 2: Một ô tô , khối lượng 2,5 tấn chuyển động qua một cầu vượt với vận tốc

không đổi là 54 km/h Cầu vượt có dạng một cung tròn, bán kính 100 m Tính áplực của ô tô lên cầu tại điểm cao nhất của cầu Lấy g = 9,8 m/s2

Hướng dẫn:

Tại điểm cao nhất lực ép của xe lên cầu là:

Giáo viên: Nguyễn Hữu Quang - THPT Thạch Thành 4 13

Ví dụ 3: Một máy bay thực hiện vòng nhào lộn bán kính 400 m trong mặt phẳng

Tại điểm cao nhất áp lực của người lái nén lên ghế ngồi là:

Tại điểm thấp nhất áp lực của người lái nén lên ghế ngồi là:

b Để người lái xe không nén lên ghế thì:

Vậy:

Ví dụ 4: Vòng xiếc là một vành tròn bán kính R = 8 m, nằm trong mặt phẳng

thẳng đứng Một người đi xe đạp trên vòng xiếc này, khối lượng cả xe và người

là 80 kg Lấy g = 9,8 m/s2 Tính lực ép của xe lên vòng xiếc tại điểm cao nhất?Biết vận tốc người này khi đi qua điểm này là v = 10 m/s

Hướng dẫn:

Ta có: R = 8 m; m = 80 kg; v = 10 m/s

Tại điểm cao nhất lực ép của xe lên vòng xiếc là:

Ví dụ 5: Một ô tô khối lượng 2.5 tấn chuyển động đều qua một đoạn cầu vượt

(coi là cung tròn) với vận tốc 54 km/h Biết bán kính cong của đoạn cầu vượt là

50 m Lấy g = 9,8 m/s2, bỏ qua ma sát Hãy xác định áp lực của ô tô lên cầu khi

đi qua điểm giữa cầu trong 2 trường hợp

a cầu vồng xuống

b cầu vồng lên

Hướng dẫn:

Ta có: m = 2500 kg; v = 54 km/h = 15 m/s; g = 9,8 m/s2; R = 50 m

a Khi cầu vồng xuống thì áp lực của ô tô lên cầu là:

b Khi cầu vồng lên thì áp lực của ô tô lên cầu là: